中国铁路货车车轮技术发展历程及主要伤损分析

兰州交通大学本科生课程结课大作业课程类别：（全日制本科生）课程名称：机车车辆新技术姓名李慧琳学号201205141院系机电工程学院专业车辆工程题目中国铁路货车车轮技术发展历程及主要伤损分析课程论文提交时间：2016年4月5日中国铁路货车车轮技术发展历程及主要伤损分析一中国铁路货车车轮技术发展历程1.我国铁路货车车轮技术发展1.1辗钢车轮技术发展车轮按制造方法分，可以分为辗钢车轮和铸钢车轮。辗钢车轮是用圆锭和圆坯经过压轧等工序制造而成。从我国目前使用范围看辗钢车轮适用于机车客车和货车。由钢锭制成辗钢车轮一般要经过一次或几次加热及多次辗压。制造辗钢车轮比直接铸造车轮要消耗更多热能。20世纪70年代,货车车轮主要产品是按冶金部、铁道部“两部协议”制造84车轮型,一直采用斜辐板结构形式,其踏面为锥形踏面,辐板为不加工的原始轧制表面，车轮辐板上设有两个直径为45mm的工艺孔。针对840D车轮结构形式不能适应铁路货车提速、重需要,21t轴重货车S形辐板车轮—HDS型车轮,在设计上彻底取消了车轮辐板孔,消除因辐板孔边缘应力集中所带来的安全隐患,比直辐板车轮具有更好的径向弹性、更大的承载能力和更好的抗热裂性能。2005年,在铁道部科技司和运输局装备部的支持下,由铁道科学研究院标准所、金化所、马鞍山钢铁公司等单位开始共同研究和制订新的车轮技术标准体系。剖析我国现行车轮技术标准存在的问题;同时组织试验验证车轮标准的有关技术指标,并将根据我国实际运营情况提出新标准的修订方案。1.2铸钢车轮技术应用铸钢车轮是用钢水直接浇铸而成。国内铸钢车轮仅用于货运列车。国外也应用于机车和客车。与辗钢车轮相比，铸钢车轮具有工艺流程短、设备工艺相对简单、操作人员少、生产效率高、生产和管理成本较低的特点。20世纪90年代中期。铁道部从美国进口铸钢车轮,选择了当时仅有的两家世界著名铸钢车轮制造厂(美国ABC公司和美国GRIFFIN公司)的产品,一进口技术标准采用美国AARM107/20吕标准。通过对进口铸钢车轮进行跟踪检测。并制定了TB/T1013一1999《碳素铸钢车轮技术条件》，在我国开始生产铸钢货车车轮。铁路货车今后发展方向是增少、载重、降低自重。降低自重的途径除降低车体自重外。重要的是要降低车辆簧重量。由于车轮在辐板、轮毅等部位实现减重技术上难度较大。因此参考国外技术。将多次磨耗轮改为一次磨耗轮(即轮惘厚度由65mm变为50mm)，同时优化了其他部位设计。2我国铁路货车车轮新材料和新技术2.1高洁净车轮钢工艺技术疲劳掉块是困扰我国铁路多年的多发性车轮故障，对行车安全构成重要影响。其主要原因是由于车轮踏面亚表面存在堆积状脆性氧化物夹杂。随着重载运输的发展，在精炼脱氧、造渣、真空脱气、脱硫及夹杂物控制方面进行了深人研究和大量工艺试验。使钢中夹杂物数量、尺寸、分布、种类、形态控制等方面取得了自主技术。2.2车轮钢圆坯连铸工艺技术长期以来我国车轮钢采用平炉炼钢、模铸钢锭。马鞍山钢铁公司实现淘汰平炉改为转炉炼钢，并实现连铸坯制造车轮。连铸是炼钢生产技术一个重大进步，有利于降低生产成本提高过程白动化水平，在提高产品内在质量卜具有不可替代的优势。2.3抗早期剥离技术车轮踏面剥离是多年困扰铁路运用部门的重大难题。近两年通过对车轮剥离研究，发现车轮早期剥离现象产生的原因，即在车轮使用过程中，新车轮使用初期(不超过一年)“早期剥离”的发生量很大。早期剥离发生后，经过一次旋修后再继续使用，在相当长时间内不会再发生剥离。根据这一规律，铁道科学研究院联合马鞍山钢铁公司等单位积极开展研究，取得了重要进展。2.4贝氏体钢车轮2005年底，“贝氏体钢车轮研究”课题通过了铁道部科技司组织的技术审查，该车轮与现有车轮相比具有革命性的变化。与现有CL6O钢车轮相比，车轮钢组织由传统的珠光体加铁素体变为无碳化物贝氏体组织等。含碳量大幅降低，具有高强度和合理的硬度分布，韧性指标大幅提高，具有良好的断裂韧性，具有高的热裂抗力、疲劳门槛值及裂纹扩展抗力(见表1,图l)，可以解决目前车轮出现的剥离掉块等损伤。2.5新型重载车轮目前，我国货车的最大轴重己达到25t。但实际使用中出现的异常磨耗等问题已经凸现出来。为适应重载运输需要，2005年，我国钢铁生产厂商联合铁路研究单位和路外权威单位。参照国外(主要是美国)重载车轮技术，开始研制适合我国铁路重载运输的新型货车车轮。目前,实验重载货车车轮已于2006年3月在环行铁路试验线上运用考核。2.6新型超声波探伤技术车轮亚表面在使用过程中是敏感区域，该部位存在的大型非金属夹杂物是惘裂、疲劳掉块、崩箍以及某些接触疲劳剥离的根源。由于踏面近表面一定深度内属超探盲区，常规超声波探伤不能做到全截面探查，在内在质量控制方面存在一定不足，有可能给产品使用带来影响。3.我国铁路货车车轮制造装备的新发展我国铁路货车车轮在制造水平、产品品种、技术标准等方面取得了很大进步,基本满足了各个时期铁路运输需要,其中新的标准提出推动了生产制造企业技术装备的改进,新的轮型设计解决了过去车轮存在的不足和安全隐患,同时满足了铁路货车减重要求。目前,我国铁路正面临第六次大提速,铁路货车最高运行速度将达到120km/h,重载运输也是解决我国铁路货运的重要发展方向,这些都对货车车轮制造装的发展提出了更高要求。二铁路货车车轮伤损分析及对策1.货车车轮伤损的基本形式货车车轮伤损的基本形式表现为踏面剥离、擦伤、局部凹陷、碾宽、圆周磨耗超限及裂纹（含辐板孔裂纹）、缺损和粘有熔化金属等7种情况。车轮伤损的基本性能表征为外形尺寸、残余静不平衡、残余应力、化学成分、表面硬度、断面硬度、拉伸性能、冲击性能、金属夹杂物、晶粒度和低倍组织等形式。1.1圆周磨耗（磨损）超限圆周磨耗分为粘着磨耗、磨粒磨耗、表面疲劳磨耗和微动磨耗。圆周磨耗的原因为车轮与钢轨间的磨擦。当车轮两端磨耗不超差时，属于正常磨耗；当车轮出现偏磨耗时，即只有一端车轮轮缘超限或车轮轮径差超限，属于非正常磨耗。研究表明，轮轨磨耗速度是，每走行10万km（1年约走行10万km），磨耗约为1.0mm。由此可见，车轮直径从840mm变化到760mm，磨损并非主要原因，而主要是由于车轮伤损后的旋修所致。经验表明，车轮半径每旋修3.5mm，轮缘将增厚1mm。由于车轮旋修量较大，轮对平均寿命仅为4~5年。因此，应采取措施，控制轮对旋修作业，以提高车轮使用寿命。1.2踏面剥离踏面剥离按产生形式分为接触疲劳剥离、局部接触疲劳剥离（局部凹陷）、局部擦伤剥离和制动剥离等4种。从危害程度上讲，踏面剥离可分为轻微性和重度性2种。1.2.1接触疲劳剥离当车轮在钢轨上高速连续滚动时，将产生机械热能。当车轮处于重载时，这种机械热能使轮轨之间的动载荷比空载时更复杂，且载荷更大。1.2.2局部接触疲劳剥离（局部凹陷）局部接触疲劳剥离（局部凹陷）的形成原因主要有2种：一是在接触疲劳剥离形成的情况下，由于车轮在运行中的热能转换和（或）轮轨接触疲劳作用，踏面由层状“剥落”延伸到局部或圆周上的裂纹，从而形成金属块状脱落；二是由于提速货车大部分装用HDS，HDZ，HES，HEZ或HDZB，HDZC，HDZD，HEZB，HEZD，HDSA和HESA等型车轮，这些车轮的强度较高，硬度较大，车轮踏面在运用中容易变得硬脆，极易出现条纹状毛细裂纹，长期运行则会形成踏面斑状剥离（局部凹陷）。1.2.3局部擦伤剥离和制动剥离国内外车轮试验研究表明，车轮局部擦伤剥离和制动剥离均由闸瓦制动产生的踏面碎裂性裂纹引起。在轮轨接触应力作用下，摩擦热循环引起的制动热裂纹损伤发展到制动剥离属于重度踏面剥离，后果严重，轻则发生车轮损伤，危害车辆运行，重则发生径向崩轮，造成事故。制动热裂纹引发的车轮局部擦伤剥离和制动剥离是当前车轮伤损的重点研究方向。1.3裂纹1.3.1制动热裂纹车轮踏面裂纹的形成多数由制动发热引起。当车辆制动时，车轮温度升高，周向压应力温度随之升高，车轮高温下产生塑性变形。当停止制动后，车轮快速冷却，周向拉应力减小。车辆的频繁制动，造成车轮热疲劳伤损，形成裂纹。1.3.2疲劳裂纹如上所述，车轮热裂纹向径向扩展时，会在轮轨接触踏面15～20mm范围内形成轮轨接触剪应力的最大分布区（轮轨接触剪应力是列车运行时轮对所固有的），如果该区域存在非金属夹杂物等冶金缺陷，裂纹源会快速成核并在剪应力作用下促使裂纹加速扩展，形成疲劳裂纹。1.3.3辐板孔裂纹1998年最后一批带辐板孔车轮下线后停止生产，现在仍有100多万个带辐板孔车轮在运行，也就是说目前带辐板孔轮对占总检修数的15%左右。从车辆段修情况看，带辐板孔的车轮大多数有裂纹，且凡有裂纹的辐板孔，裂纹对应处总有擦伤存在。1.3.4轮辋疲劳裂纹及掉块由于车轮不平衡值和偏心距的存在，使车轮中心在运行过程中的运动轨迹呈余弦曲线，并产生不平衡的离心惯性力。在离心惯性力的作用下，动反力将按运动速度值的平方急剧增加。当列车在低速运行时，动反力对车轮的危害不是很大；当列车运行速度较高时，动反力所产生的影响就非常明显。1.4擦伤车轮踏面擦伤多是由于车辆在运行过程中制动操作不当（紧急或其他制动）造成，主要有以下几种情况：一是货车运行速度提升后，由于速度快、载重量大，在既有线路上运行时，若在长大坡道上需要采取紧急制动，很容易造成车轮擦伤；二是货车所装的空重车调整装置，如果空载车辆在重车位运行，采取紧急制动时，因制动力过大，容易造成空车车轮擦伤；三是新型车轮若与既有钢轨粘着力及闸瓦摩擦系数不匹配，当制动力过大或出现抱死闸现象时，导致轮轨粘着不足，车轮沿钢轨滑行，车轮踏面局部急剧摩擦发生热硬化，从而产生擦伤。1.5轮缘局部缺损与掉块如果在车轮制造及加修过程中，车轮存在夹杂物或轮缘焊补导致气孔、夹渣、裂纹等缺陷，或是运用超限过薄的轮缘，当车辆通过小半径曲线时，钢轨与轮缘接触处产生较大的接触应力，会使车轮轮缘产生局部缺损与掉块。均匀辗边，是由于辗边处轮辋厚度明显低于1.6车轮轮辋辗边及轮缘辗堆1.5.1车轮轮辋不均匀辗边车轮轮辋局部不其他部位厚度，造成车轮踏面椭圆型轨迹运行，辗边处受力过大引起。产生不均匀辗边的车轮，辗边部位断面的硬度会明显低于标准，且硬度分布不均。1.5.2车轮轮辋均匀辗边及轮缘辗堆车轮轮辋均匀辗边及轮缘辗堆，一般由轮轨接触应力过大、轮轨硬度不匹配、车轮硬度和强度偏低等引起；少数轮辋辗边及轮缘辗堆是受车辆转向架结构设计不合理等因素影响所致。2.货车车轮伤损防范性对策（1）为减少轮对擦伤，应提高列车中各车辆吨位分布的均匀性，严禁空重车混编运行，并加强列检对空重车调整装置位置的检查确认。为减少车轮圆周磨耗，应避免车辆长期在同一线路上运行，细化并落实站场调车作业标准。（2）优化车轮轮型，尽快淘汰辐板孔车轮，以满足高速、重载条件下的装车要求。车轮制造厂在改进车轮制造技术及加工工艺时，应考虑车轮伤损因素，加强车轮钢中夹杂物和氢含量的控制。（3）当车轮踏面及轮缘出现裂纹、缺损、碾堆、剥离、擦伤和局部凹陷等缺陷超限时，须将缺陷全部旋除。（4）在检修过程中，对车轮踏面擦伤、局部凹陷等缺陷要在转轮器上全面检查，同时利用TPDS系统检测结果有针对性地比对复查。检查时要严格掌握检修限度，超出限度的车轮必须旋修处理，确保车轮踏面恢复到标准形状。（5）为减少车轮踏面剥离、擦伤和局部凹陷等伤损的产生，应加强对提速车制动梁检修质量的控制。段修时，应统一换装新型高摩擦系数合成闸瓦（HGM-A型）。（6）加快新型重载提速车轮的研究与开发，引进新技术、新材料，降低车轮自重。